Microbiologia

Virologia

Cos’è un virus? Un microrganismo, un agente in grado di infettare, di piccole dimensioni e di

composizione molto semplice, che può moltiplicarsi solamente all’interno di cellule animali,

batteriche o vegetali. ⇒

Per moltiplicarsi i virus devono parassitare una cellula sono parassiti endocellulari obbligati

I virus possono infettare cellule animali o vegetali oppure batteriche.

“Virus” deriva dal latino “virus” che significa veleno.

Definizione di Baltimore (Nobel 1986): a piece of bad news enwrapped in a protein coat.

Origine dei virus

Non sappiamo esattamente da dove derivino i virus, quando siano comparsi per la prima volta e

come abbiano fatto ad evolversi. Esistono 3 teorie diverse, ma non ce n’è una vincente rispetto alle

altre.

1. Teoria regressiva: i virus derivano da parassiti intracellulari che erano inizialmente molto più

complessi e per motivi di evoluzione hanno perso tutte le strutture inutili mantenendo solamente

le strutture essenziali.

2. Teoria dell’origine cellulare: i virus derivano da cellule eucariotiche che per motivi evolutivi

hanno ridotto al minimo la loro struttura creando i virus. Sembra potenzialmente che i virus

derivino dai mitocondri.

3. Teoria dell’entità indipendente: i virus sono nati per sé stessi (coevoluzione con altri agenti

viventi).

L’ultima teoria è quella che sembra maggiormente accreditata e si basa sul fatto che perché un

agente vivente abbia origine è richiesta la capacità del microrganismi di riprodurre se stesso, il che

implica l’autocatalisi intrinseca: è necessario che qualche cosa abbia in sé tutte le possibilità di

riprodursi.

Le molecole con proprietà catalitiche sono le proteine, ma non sono in grado di riprodurre sé stesse.

Invece gli RNA sono in grado sia di contenere informazioni genetiche sia di catalizzare reazioni.

Sono stati scoperti RNA con attività autocatalitica → i virus potrebbero essere comparsi nel mondo

insieme agli RNA, circa 5 milioni di anni fa (prima o in contemporanea con le prime cellule).

1500 a.C.: si suppone che già ci fosse la poliomielite, paralisi flaccida che colpisce prevalentemente

uno dei due arti inferiori.

Il primo virus umano scoperto nel 1901 è quello della febbre gialla, poi quello della rabbia nel

1903, nel 1933 l’influenza, ecc… 2

I virus sono organismi viventi?

Il dibattito è ancora aperto.

Le caratteristiche necessarie per definire qualcosa vivente sono:

- Crescita: deve essere in grado di aumentare il numero delle proprie componenti. Per il virus non

succede, perché un virus esce dalla cellula esattamente come entra.

- Organizzazione: nei virus non è complessa

- Riproduzione: gli elementi viventi sono in grado di riprodurre sé stessi utilizzando DNA/RNA. I

virus portano un’informazione genetica grazie alla quale possono riprodursi, ma necessitano

della struttura riproduttiva della cellula che infettano.

- Capacità di adattarsi: sono in grado di evolvere, ma non perché hanno una spinta intellettuale,

grazie al caso e alla necessità. I virus più dinamici introducono a volte mutazioni nelle loro

riproduzioni.

- Risposta agli stimoli: un virus risponde ad alcuni stimoli chimici, ma è comunque frutto di una

casualità e necessità.

Evoluzione dei virus

I virus possono evolvere, seguono l’evoluzione in base al caso e alla necessità. Per un virus

evolversi significa cambiare il proprio assetto genomico, introdurre mutazioni nel proprio genoma.

Non tutti i virus introducono mutazioni all’interno del proprio genoma.

Le mutazioni avvengono tutte le volte che il genoma del virus si riproduce.

Esistono virus con genoma a RNA e virus con genoma a DNA. Quelli più propensi a evolvere sono

i virus con genoma a RNA, perché le polimerasi che utilizzano hanno una attività proof-reading

molto bassa. Quindi le mutazioni inserite sono dovute al fatto che la RNA polimerasi è poco in

grado di correggere i propri errori. 4 5

In media vengono introdotte 1 mutazione ogni 10 /10 nucleotidi polimerizzati.

I virus a DNA invece sono molto più conservati e stabili, perché usano delle DNA polimerasi con

attività proof-reading maggiore. Mantengono specie-specificità, hanno tropismo ristretto, causano la

stessa risposta immunitaria.

Un virus non può mai modificare la propria natura: un virus a DNA non può mai diventare a RNA e

viceversa.

Non cambia la struttura conformazionale, la struttura del rivestimento proteico.

Tendenzialmente nessun virus introduce troppe mutazioni perché la finalità è sempre quella di

riprodursi → non deve uccidere l’ospite che

infetta.

Generalità sui virus

Uno dei virus più grandi conosciuti (vaiolo)

raggiunge un ø di 300-400 nm. Il più piccolo

(poliovirus) ha un ø di 30 nm.

Non si conoscono virus con diametro superiore al 3

µm.

Tutti i virus sono composti da due componenti fondamentali:

Genoma: una singola molecola di DNA oppure di RNA, porta l’informazione genetica.

• Capside: riveste la molecola. È una struttura proteica composta da subunità proteiche

• (capsomeri).

Genoma + capside = nucleocapside

Esistono alcuni virus che per loro natura hanno una terza struttura che ricopre il capside, ancora più

esterna, detta envelope. L’envelope è biochimicamente identico alla membrana cellulare delle

nostre cellule, costituito da un doppio strato fosfolipidico. I virus che hanno l’envelope lo devono

sempre mantenere. Viruses components (2)

I virus senza envelop vengono detti virus nudi.

3. Envelope

Virione: è in grado di infettare una cellula perché ha tutte le componenti necessario.

• Phospholipidic Double Layer

Envelope VIRUS without envelope NAKED VIRUSES

Sul doppio strato fosfolipidico dell’envelope

vi sono poche proteine. L’envelope deriva

dalla cellula che viene infettata.

Un virus con envelope entra nella cellula,

deve riprodursi: quando esce dalla cellula

deve avere anche l’envelope prendendolo

dalla cellula stessa. Preleva un pezzo di

membrana cellulare, esce per budding

(esocitosi in una sorta di vescicola).

Le proteine nell’envelope sono di natura

virale, codificate dal virus. Questo è possibile

perché nella replicazione il virus traduce delle proteine tra cui quelle dell’envelope e le trasporta

WHERE THE ENVELOPE COMES FROM

sulla superficie della cellula. Quando il virus deve uscire viene avvolto dalla membrana cellulare

della cellula che presenta le proteine proprie del virus.

L’envelope quindi è una struttura ibrida.

La funzione dell’envelope è di rivestimento esterno,

quindi essendo la parte più esterna del virione presenta

le proteine che riconoscono la cellula da infettare, sono i

recettori virali che riconoscono i recettori cellulari.

Sono anche le strutture antigeniche maggiori, cioè

quelle contro le quali il sistema immunitario crea gli

anticorpi.

Funzioni:

- Recettoriale

- Antigenica 4

L’envelope è una struttura abbastanza debole, quindi i virus con envelope sono meno resistenti

all’ambiente (possono essere aggrediti da detergenti per i lipidi).

Capside

Tutti i virus hanno un capside di natura esclusivamente proteica, molto adatta a proteggere il

genoma. Per i virus nudi è la parte più esterna, quindi ha natura antigenica per il sistema

immunitario. Tutti i capsidi sono costituiti da subunità monomeriche. La disposizione nello spazio

dei capsomeri determina il fatto che tutti i capsidi conosciuti in natura siano riconducibili a due

diverse simmetrie:

- Icosaedrica

- Elicoidale

- (complessa): non riguardano l’uomo, sono pochi.

Un virus non può modificare la disposizione dei propri capsomeri, nonostante possano essere

introdotte variazioni amminoacidiche nella composizione delle proteine.

La struttura simmetrica serve per avere la massima stabilità, il numero 5 PROTOMERS

di legami è il minore possibile e l’energia di legame è minore. Il virus 12 PENTAMERS

crea un’unica proteina semplice di un numero limitato di aminoacidi

usando una piccola porzione del proprio genoma, poi se ne assemblano

moltissime ripetizioni → viene economizzato il genoma.

I capsidi si assemblano da soli e i legami non sono covalenti ma deboli,

⇒

perché devono essere facilmente scindibili all’interno della cellula

struttura dinamica.

Simetria icosaedrica: ciascuna faccia triangolare (capsomero) è

formata da 2/3 proteine. La simmetria icosaedrica prevede 3 assi di

simmetria attorno a cui si dispongono i vari capsomeri, costituendo

l’icosaedro.

Simmetria elicoidale: i capsomeri sono disposti a chiocciola intorno al PICORNAVIRUS 12 PENTON

genoma. La ripetitività è molto elevata, le interazioni sono basse. La forma è allungata.

Simmetria complessa: non è riconducibile a regole matematiche, presenta forme complicate (ad

ADENOVIRUS 12 PENTONS, FIBERS AND 240 EXON

esempio il vaiolo o i batteriofagi).

Genoma

- Dimensione: 3.000-2.000 bp

- RNA vs DNA: Il 30% dei virus in grado di infettare

l’uomo ha un genoma a DNA. Il 70% ha genoma a

RNA.

- Natura degli strand del genoma: Tutti i virus che

studieremo hanno DNA double-stranded tranne i

parvovirus, che sono a singolo filamento. Tutti i virus a

RNA che studieremo sono single-stranded. 5

- Polarità degli strand (nei virus a RNA): senso (+) o antisenso (-). I virus a RNA + e quelli a

RNA - si replicano in modo diverso.

- Lineare vs circolare: il genoma a RNA è sempre lineare.

- Molecola unica o suddivisa in segmenti: riguarda la molecola di RNA, che può essere

segmentata in diverse parti.

Eccezione: il virus dell’epatite B ha un genoma a DNA double stranded circolare incompleto → un

filamento è completo, l’altro presenta dei gap.

Regola generale:

I virus a DNA si replicano nel nucleo della cellula ospite

• I virus a RNA si replicano nel citoplasma.

•

Eccezione: il virus dell’influenza orthomyxovirus si replica nel nucleo.

Un RNA + ha polarità come quella del mRNA, è codificante. Un genoma - è complementare di un

mRNA. Un virus a RNA + è direttamente infettante, perché il suo genoma può legare

direttamente i ribosomi, quindi per la stretta replicazione non serve envelope o capside.

Un virus a RNA - deve essere convertito in mRNA per tradurre le proprie proteine → tutti i virus

con RNA - portano con sé nel virione una RNA polimerasi RNA-dipendente, che serve per creare

mRNA.

Tutti i virus si dividono in famiglie. La famiglia che comprende i virus ha come suffisso -viridae. In

ciascuna famiglia ci sono dei generi. All’interno di ciascun genere ci sono i singoli virus.

RNA viruses

Es: famiglia: picornaviridae; genere: enterovirus; virus: poliovirus.

In una famiglia sono compresi virus con le medesime caratteristiche morfologiche e strutturali.

Virus a RNA

From Principles of Virology Flint et al ASM Press

# 6

DNA viruses

Virus a DNA

!

Replicazione virale

Tutti i virus hanno un unico scopo: moltiplicarsi per poter uscire dalla cellula e infettarne un’altra.

Devono riprodurre esattamente identica la particella virale, replicare il proprio genoma, creare le

⇒

proteine del capside che rivestano la molecola genomica trascrivere e tradurre i propri geni.

Tutto è contenuto nelle informazioni generiche con l’ausilio della cellula: il genoma e la cellula

interagiscono. Il virus per continuare la propria replicazione deve nascondersi dal sistema

immunitario, poiché nell’organismo appena viene individuato un elemento estraneo viene scatenata

la risposta immunitaria. A questo punto si ha infezione del virus nella cellula che può scaturire in

malattia.

Un ciclo replicativo avviene in modo diverso in base al virus, ma ci sono degli step comuni:

1. Trovare una cellula in cui replicare

2. Legarla → binding

3. Entrare all’interno della cellula → ingresso o penetrazione

4. Svestirsi, liberarsi del proprio capside → uncoating

5. Replicazione del genoma

6. Trascrizione e traduzione delle proteine virali

7. Assemblaggio del virione maturo

8. Uscita del virus dalla cellula 7

4 tipi di microbi:

1. Virus

2. Batteri: microrganismi unicellulari

3. Parassiti: protozoi uni/pluricellulari

4. Funghi

Ciclo vitale dei virus

I virus e i batteri hanno l’unico obiettivo di replicarsi, secondo un istinto presente nel codice

genetico.

I virus maturi fuori dalle cellule sono una struttura cristallizzata, non fanno nulla → sono incapaci

di qualunque forma di vita. Eppure sono classificati tra gli esseri viventi perché quando entrano

nelle cellule sono in grado di moltiplicarsi ed avere il controllo della propria moltiplicazione (il che

è la base della vita).

Ci sono virus di tutte le cellule viventi → laddove c’è una cellula ancestralmente si sono organizzati

dei virus.

La replicazione avviene quindi in una cellula e richiede alcuni compiti:

1. Trovare una cellula in cui entrare

2. Legarsi a quella cellula →

binding

3. Entrare all’interno della cellula →

ingresso o penetrazione

4. Svestirsi, liberarsi del proprio

capside per permettere al genoma

di essere libero nella cellula→

uncoating

5. Replicazione del genoma

6. Trascrizione e traduzione delle

proteine virali

7. Assemblaggio del virione maturo

8. Uscita del virus dalla cellula

Immediatamente i nuovi virus riprendono il ciclo replicativo.

Avere l’envelope o non averlo può essere un vantaggio o meno: l’envelope è fatto da

glicolipoproteine, i capsidi di proteine. I capsidi sono resistenti, mentre l’envelope può essere

disorganizzato con dei detergenti per i lipidi. Per un virus non esiste il concetto di morte ma di

inattivazione, incapacità di compiere il ciclo virale. L’envelope è quindi un fattore di debolezza.

⇒

Non c’è un finalismo il virus si è adattato a entrare in un organismo e usarlo per replicare. Per un

virus ammazzare l’organismo è svantaggioso → devono appoggiarsi a un organismo per replicare. 8

La replicazione di un virus a RNA avviene nel citoplasma e non coinvolge il nucleo (generalmente).

Eccezioni: influenza e HIV.

Al contrario, i virus a DNA replicano il loro DNA nel nucleo.

# #

1. Cell attachment: adsorbimento.

È solo il legame con la superficie della cellula, fondamentale. Il primo step nella replicazione è la

capacità di legarsi alla cellula corretta. I virus umani si sono adattati agli esseri umani e ci

convivono. Uno dei principi alla base dell’adattamento è che i virus si sono specializzati a infettare

⇒

un numero ristretto e selettivo di cellule tropismo. Fortunatamente non c’è un virus pantropo

che infetti tutte le cellule. Per replicarsi i virus frenano l’attività della cellula, la uccidono e la

distruggono.

Il riconoscimento dipende dal presenza della superficie del virus di recettori virali che trovano una

controparte sulla cellula, recettori cellulari. La specificità è assoluta. L’interazione è specifica, ma

puramente fisica. Solitamente le due strutture sono fatte in maniera complementare per via della

sequenza amminoacidica. Di solito i recettori virali sono altamente conservati → tendono a

rimanere stabili e non cambiare, perché il legame è fondamentale per la capacità di replicarsi.

Recettori virali:

Molecole appartenenti alla superfamiglia delle immunoglobuline

• Recettori associati alle membrane

• Canali e trasportatori transmembrana

•

I virus utilizzano molecole richieste per le normali funzioni cellulari.

Il tropismo determina il tipo di cellule in cui un virus si replica. Tutto quello che avviene nella fase

iniziale è fondamentale per le fasi successive. Es: HIV si lega a CD4 sui linfociti T, infetta le cellule

⇒

del sistema immunitario che dovrebbe combatterlo AIDS, sindrome da immunodeficienza

primaria. 9

2. Penetrazione

I virus solitamente entrano per endocitosi (fusione), si forma un’invaginazione e una vescicola.

Nel citoplasma la vescicola si rompe e il virus è nel citoplasma.

I virus con envelope entrano per fusione di membrana.

# 3. Svestimento

I capsidi hanno una funzione protettiva. L’ambiente extracellulare del corpo umano è estremamente

ostile per l’RNA, che può andare incontro a degradazione.

La doppia elica di DNA invece possiede una certa stabilità. Il capside è estremamente compatto e in

alcuni casi molto resistente. Se il capside non si sciogliesse disaggregando le proteine, diventerebbe

un ostacolo alla replicazione → le proteine si aggregano automaticamente e si dissolvono appena è

necessario grazie a una serie di segnali scambiati fra la cellula e il capside.

Lo svestimento è lo stadio meno compreso della replicazione.

4. Espressione e replicazione del genoma virale

I virus conducono la propria replicazione. Un enzima dà il via alla realizzazione degli acidi nucleici

→ polimerasi, i genomi dei virus devono contenere un gene della propria polimerasi, enzima

centrale della vita dei virus perché ne determina la replicazione.

Per uscire nuovamente, il virus deve avere capside e eventualmente envelope quindi i genomi dei

virus contengono sicuramente gene per:

- Polimerasi

- Capside 10

- Envelope

La polimerasi entra in gioco nel momento della replicazione.

# # (Baltimore ha scoperto la trascrittasi inversa, rivoluzione del dogma della biologia)

Ciò che dà origine alla sintesi delle proteine è l’mRNA, detto RNA a polarità positiva o RNA senso.

Partendo da questo concetto